Simular Efeitos de Fabricação Antecipadamente Constrói Designs Robustos

Em design e engenharia, suposições são frequentemente feitas como mecanismo simplificador, e às vezes porque essa simplificação é suficiente. Mas muitas vezes é porque não se tem tempo nem ferramentas adequadas para contabilizar efeitos não-lineares.

Para muitos componentes, processos de fabricação têm impacto significativo no desempenho do produto, mas são frequentemente dos efeitos mais comumente negligenciados. Quais efeitos de fabricação devem ser considerados, e quais podem ser ignorados? Respostas nem sempre bem compreendidas. Frequentemente, prática padrão é designers criarem design, passarem a analistas, que então constroem e analisam. Frequentemente esta abordagem é custosa e leva mais tempo que o ideal. Por conexões não ideais e tempo para ir de CAD para CAE, não é incomum gastar mais tempo na transferência de dados e execução inicial de análise que em construir, analisar e entender o modelo.

Plataforma 3DEXPERIENCE – Unindo Ferramentas de Design e Mecânica dos Sólidos:

A Plataforma 3DEXPERIENCE da DASSAULT SYSTÈMES combina recursos de design de classe mundial do CATIA com conjuntos de ferramentas de mecânica dos sólidos linear e não-linear da SIMULIA. Tal capacidade permite conexão mais fluida entre CAD e CAE que o típico na indústria. Também permite processos guiados e templates padronizados, resultando em primeira resposta mais rápida. Em vez de cálculos iniciais simplificados e suposições feitos por engenheiros especialistas em análise estrutural, estas primeiras respostas podem ser incorporadas no CAD e ferramentas de engenharia inicial para chegar tanto a um primeiro modelo quanto a uma primeira estimativa dos indicadores-chave de desempenho estrutural. Isso permite respostas lineares estruturais de primeira passagem serem executadas e analisadas dentro do CAD antes de passadas a analistas.

O engenheiro de análise estrutural pode então "afiar a lâmina" refinando o modelo e adicionando efeitos apropriados ao modelo de "primeira passagem" entregue. Alguns destes 고려ações de fabricação podem ser simplesmente suposições lineares "expandidas", mas pode-se incluir contato, não-linearidade de material, e até efeitos de rigidez por tensão (stress-stiffening) onde apropriado. Como veremos, este refinamento pode ser crucial e revelar falhas que de outra forma seriam negligenciadas. Alguns exemplos "clássicos" de não-linearidade são não-linearidades de material — plasticidade em aço, comportamento não-linear de borrachas, trincamento e falha em variedade de materiais e componentes. Embora frequentemente bem compreendidos, duas outras formas de não-linearidade são mais frequentemente negligenciadas — o efeito de contato, e o impacto da "geometria não-linear". Todas três formas podem resultar do processo de fabricação, e todas são prontamente modeladas, analisadas e pós-processadas na Plataforma 3DEXPERIENCE.

Avaliamos dois exemplos demonstrando estes efeitos de fabricação, focando como cada um pode impactar sistemas.

Conexão por Pressão (Press Fit) em Braço de Controle Inferior:

Contato é geralmente bem entendido por engenheiros — dois ou mais componentes "colidem", e forças são transferidas, gerando tensões e deformações. Exemplo de contato frequentemente não considerado, mas crítico em implicações, é "press fit" (ajuste por pressão/ interferência). Em press fit, componente com seção externa ligeiramente maior é "forçado" em outro de seção menor. Deve balancear requisitos concorrentes: pouca interferência pode resultar em ajuste que sai facilmente e compromete integridade por separação. Muita interferência resulta em altas tensões/deformações resultando em falha em uma ou ambas as partes.

O módulo de simulação na Plataforma 3DEXPERIENCE permite não só capturar tal press fit (em vez da abordagem simplificada), mas também contabilizar variação na interferência para estudar tensões resultantes do próprio press fit e quando incluídas em carregamento "padrão". Falhar em contabilizar efeitos de press fit pode ter consequências catastróficas.

Como mostrado, um braço de controle inferior (exemplo comum de press fit) poderia falhar inesperadamente se efeitos não considerados. Resultados à esquerda são enganosos e poderiam causar problemas de garantia. Falhas inesperadas e recalls também afetam reputação de OEMs.

Frequentemente, efeitos de press fit são considerados na análise detalhada de componente. Press fit excessivo detectado e corrigido em estágio inicial de design economizaria tempo e custo globais do projeto.

Abaixo, resumimos fluxo de trabalho 3DEXPERIENCE para alcançar isso:

Modelagem CAD Paramétrica:

Design baseado em parâmetros na Plataforma 3DEXPERIENCE alavanca possibilidade de testar design para diferentes configurações. Interferência entre braço de controle e bucha pode ser definida e variada através de parâmetro de design.

Modelagem e Simulação Integradas:

Plataforma unificada para CAD e simulação facilita designer analisar componente antes de passar a engenheiro de simulação. Assistência de Simulação na Plataforma 3DEXPERIENCE guia até analista não-especialista a realizar simulações linear e não-linear básicas antes de passar modelo a analista especialista. Neste caso, dois casos de simulação separados para carga vertical de 4KN e lateral (direção X) de 2.5KN definidos. Para ignorar efeitos não-lineares no nível de engenheiro de design, buchas são amarradas (tied) ao braço de controle e cilindro interno da bucha é fixado (clamped).

Reutilização de Simulação Linear para Simulação Não-linear Avançada:

Para estudo detalhado e preciso, engenheiro de design pode mudar parâmetros de conexão entre bucha e braço para incluir efeitos de press fit. Associatividade entre CAD e FEM facilita definir nova feature de simulação ou modificar existente dentro da simulação linear. Gerenciador de features dá visão consolidada de features definidas e facilita modificação em mínimo cliques.

Automação e Colaboração:

Analista especialista pode definir templates de simulação para fluxos bem definidos e disponibilizar para engenheiros de design realizar análise detalhada considerando efeitos de fabricação. Widgets web para realizar simulações predefinidas impulsionam colaboração efetiva entre designer e analista, que podem co-revisar e finalizar design.

Assim, ferramentas abrangentes na Plataforma 3DEXPERIENCE tornam possível otimizar interferência do press fit em estágio inicial de design e evitar falhas e recalls indesejados.

Modelagem de Parafuso em Junta Clevis:

Segundo exemplo de efeitos de fabricação é junta clevis. Junta clevis é acoplamento consistindo de ligação em U (às vezes "extremidade garfo") através da qual pino ou parafuso passa. Pino tipicamente prende a ligação ou haste, permitindo rotação sobre o pino enquanto "fixa" em todas outras direções.

Juntas clevis usadas em miríade de produtos, comuns em suspensões automotivas e equipamentos pesados, maquinário industrial, ligações aeroespaciais, e outros casos. Podem ser muito pequenas com simples "pino" minúsculo para bens domésticos baratos, mas para equipamentos industriais e máquinas grandes frequentemente tão massivas que superam pessoa e requerem parafusos muito grandes como "pino". Em aplicações de máquinas maiores, frequentemente não basta simplesmente "conectar" extremidade garfo à haste, pois o parafuso deve ser apertado com torque alto, adicionando tensões de fabricação à peça antes de quaisquer "cargas operacionais". Estas cargas de aparafusamento tendem a "dobrar" a extremidade garfo e resultam em pré-tensões significativas. Se ignoradas, fatores de segurança incorretos para cargas operacionais resultam, com tensões de pico não-conservadoras e superpredição de vida a fadiga.

Nesta garra, junta clevis aparafusada conecta ligação ao componente da garra. Para tal montagem, parafusos grandes (com pré-cargas associadas altas) precisam ser usados para evitar desconexão. Cargas do parafuso "puxam" garfos da junta clevis juntos resultando em tensões de montagem. Equipamentos pesados frequentemente super-dimensionados — melhor ter massa extra que risco de parada para equipamento tão caro. Mas mesmo com altos fatores de segurança, importante considerar como estes efeitos de fabricação combinam com cargas operacionais.

Para resultados na figura, cargas operacionais sozinhas resultam em tensões modestas nos garfos, ~20% abaixo das tensões alvo. Porém, contabilizando tensões induzidas por fabricação sobre operacionais, resultados reais são 30% acima do alvo. Tais tensões, embora bem abaixo do escoamento, podem resultar em fadiga eventual, falhas em campo e tempo de inatividade. Portanto, selecionar força de aperto de parafuso ótima é muito importante. Plataforma 3DEXPERIENCE fornece ferramenta amigável ao design para realizar estas simulações conforme fluxo resumido:

Modelagem de Parafuso Virtual:

Definir geometria CAD de parafuso para estudar efeito de aperto poderia incluir complexidade desnecessária (como não-linearidade por contatos) para engenheiro de design. Ferramenta de definição de parafuso virtual na Plataforma 3DEXPERIENCE fornece abordagem simplificada para definir representação de parafuso como entidade FE e permitir pré-carga para estudar efeitos de aperto. Designer pode simplesmente selecionar arestas de peça ou usar detecção de parafuso para definir parafuso virtual na localização da junta clevis.

Definindo Simulação Linear:

Similar ao exemplo press fit, assistência de simulação guia engenheiro de design a configurar simulação. Selecionando features CAD como face, aresta ou vértice, engenheiro define facilmente cargas e condições de contorno. Neste caso, garra fixada na face inferior e 10KN aplicado na junta clevis.

Template Personalizado para DOE e Otimização:

Analista especialista pode definir template de simulação web para engenheiro de design estudar efeito de diferentes valores de força de aperto do parafuso na junta clevis. Design of Experiments (DOE) pode ser formado em estágio inicial sem envolver analista no loop. Neste caso, efeito de pré-carga variando 1KN a 5KN com diferença de 500N estudado usando template DOE do process composer.

Validação de Resultados Web-based em Results Analytics:

Uma vez processo completo, engenheiro de design pode colaborar com analista especialista para visualizar resultados no widget web Results Analytics. Modificando parâmetros como carga e força de aperto, designer pode reusar template para diferentes modelos com aplicação similar. Como mostrado nas imagens, engenheiro conclui que força de parafuso acima de 2KN excederia tensão além do limite aceitável (150 MPa).

Assim, analista CAE especialista concentra-se em simulações mais avançadas e engenheiro de design cuida de efeitos de fabricação em estágio inicial, economizando tempo e custo globais do processo.

Conclusão:

Se efeitos de fabricação considerados cedo no estágio de design, pode-se entender mais precisamente verdadeiros "fatores de segurança" no design. Ferramentas amigáveis ao designer na Plataforma 3DEXPERIENCE ajudam a prever desempenho do produto mais consistentemente e como resultado reduzem custos de garantia, recall e operacionais para clientes.

Veja todas nossas soluções de Transporte & Mobilidade visitando:

https://www.3ds.com/products-services/simulia/solutions/transportation-mobility/